Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1. Анализ методов оценки состояния и поведения непосредственной кровли 8
1.2. Обзор существующих методов выбора параметров анкерной крепи 17
1.3. Цель, задачи и методология исследований 28
1.4. Выводы 30
2. Экспериментальные исследования упрочняющей способности армополимерной крепи 35
2.1. Методика экспериментальных исследований 35
2.2. Прочность закрепления армополимерного анкера 46
2.3. Влияние параметров анкерования на устойчивость упрочняемых пород 54
2.4. Выводы 65
3. Аналитические исследования параметров подцершшия кровли армополимерной крепью 67
3.1. Обоснование расчетной схемы и методы решения 67
3.2. Исследование прочностных характеристик анкера с полимерным закреплением 81
3.2.1. Задача о работе анкера под продольной нагрузкой 81
3.2.2. Расчет показателей деформативности анкера при изгибающих нагрузках 86
3.2.3. Выбор критерия прочности скрепляющего состава 92
3.3. Исследование взаимосвязей параметров анкерования и размеров упрочняемого массива 100
3.4. Расчет оптимальных параметров армополимерной анкерной крепи 110
4. Промышленные испытания и внедрение анкеров с полимерным закреплением 121
4.1. Методика проведения промышленных испытаний и внедрения 121
4.2. Результаты промышленных испытаний 126
4.3. Рекомендации по выбору параметров анкерования в конкретных горно-технических условиях 144
Заключение 160
Литература 165
Приложения
- Обзор существующих методов выбора параметров анкерной крепи
- Прочность закрепления армополимерного анкера
- Исследование прочностных характеристик анкера с полимерным закреплением
- Результаты промышленных испытаний
Введение к работе
Основными направлениями развития народного хозяйства страны на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года в угольной промышленности предусматривается обеспечить добычу угля в 1985 году в количестве 770...800 млн. тонн, повысить его качество, улучшить технико-экономические показатели работы отрасли [ I ] . Выполнение этих задач требует эффективного использования высокопроизводительной горной техники в сложных горногеологических условиях, интенсификации горных работ, увеличения нагрузки на очистной забой.
Как показывает опыт работы шахт Минуглепрома УССР, достижению высоких технико-экономических результатов работы выемочных участков во многих случаях препятствуют трудности, связанные с переходом лавами зон с неустойчивыми нижними слоями кровли или геологическими нарушениями. В пределах таких зон наблюдаются частые обрушения пород в рабочее пространство лавы, что приводит к ее простоям и необходимости выполнения трудоемких операций по уборке породы и креплению полостей вывалов. В этих условиях повышается аварийность машин и механизмов на всем пути транспортирования горной массы, ухудшаются условия безопасности, возрастает зольность добываемого угля и, как следствие, снижаются технико-экономические показатели выемочного участка.
Одним из наиболее эффективных мероприятий по предотвращен нию вывалообразований в пределах таких зон является опережающее армирование породных массивов анкерами, закрепляемыми в шпурах вспенивающимся полиуретаном. Этот способ находит все большее применение в практике работы угольных предприятий, отрабатывающих пласты пологого залегания.
Вместе с тем до настоящего времени вопросы, связанные с определением прочностных характеристик армополимерного анкера, из-
учены недостаточно, а применяемые методы расчета и выбора параметров анкерной крепи не учитывают специфических особенностей работы такого анкера в условиях действующего очистного забоя.
Применение армополимернои крепи без учета названных факторов не может дать ожидаемого результата или приведет к излишнему расходу трудовых и материальных ресурсов, направленных на предотвращение обрушений кровли. Этим определяется актуальность вопросов, связанных с исследованием работы армополимернои крепи и выбором параметров поддержания неустойчивых пород кровли в лавах пологих пластов анкерами с полимерным закреплением.
Целью настоящей работы является установление параметров технологии поддержания неустойчивой кровли армополимернои крепью и закономерностей в проявлении горного давления при этом способе.
Идея работы заключается в использовании свойств современных полиуретановых составов для целей укрепления зон слабых боковых пород.
Автором внесено новое в решение этой проблемы:
установлены зависимости показателей деформативности анкера с полимерным закреплением для вытягивающих и изгибающих нагрузок от размеров стержня и упругих характеристик материалов, входящих в систему "анкер - горная порода" и сформулировано условие разрушения анкера по пенопласту в сложном напряженно-деформированном состоянии;
рассчитаны оптимальные значения параметров опережающей анкерной крепи;
разработаны и внедрены практические рекомендации по использованию научных результатов в производстве, а также установлена область эффективного применения способа поддержания неустойчивых пород кровли армополимернои крепью.
На защиту выносятся:
- установленные зависимости изменения показателей деформа-
тивности анкера от размеров стержня и физико-механических свойств скрепляющего состава;
результаты анализа влияния плотности установки армополи-мерной крепи на поведение упрочняемого породного массива в период от его обнажения при очистной выемке угля до подкрепления призабойной крепью;
разработанный метод расчета оптимальных параметров армо-полимерной крепи на основании информации о степени нарушенности породного массива и прочности закрепления анкеров в устойчивых слоях пород;
рекомендации по выбору параметров технологии поддержания неустойчивых пород кровли армополимерной крепью.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждена:
корректной постановкой задачи и использованием современных методов аналитических расчетов;
широким использованием фактических данных по опережающему армированию кровли, охватывающих представительный диапазон горнотехнических условий в лавах пологих пластов Донбасса;
апробацией результатов исследований автором на шахтах производственных объединений "Донецкуголь", "Макеевуголь", "Со-ветскуголь", "Шахтерскантрацит", "Октябрьуголь", "ТорезантрацитУ "Первомайскуголь";
промышленным внедрением результатов исследований на шахтах Донбасса в соответствии с приказами Минуглепрома УССР № 268 от 21.05.80 г. и № 260 от 04.II.81 г.
Настоящая работа является частью общеотраслевой проблемы по разработке и внедрению полимерных скрепляющих составов в угольной промышленности.
Результаты работы использованы:
хозрасчетным участком по укреплению неустойчивых боковых
пород полимерньми материалами производственного объединения "Ок-тябрьуголь" при разработке технических условий на изготовление средств анкерования и применении способа поддержания неустойчивых пород кровли на шахтах объединения;
Донецким научно-исследовательским угольным институтом при разработке рекомендаций шахтам Минуглепрома УССР и Ростовской области по предотвращению обрушений кровли и креплению лав пологого падения в зонах с неустойчивыми боковыми породами;
шахтами производственных объединений Донецкого бассейна, отрабатывающими пологопадающие пласты, при промышленном применении способа поддержания неустойчивых пород кровли армополи-мерной крепью в соответствии с рекомендациями "Руководства по поддержанию слабой кровли в лавах анкерами, закрепляемыми вспенивающимся полиуретаном".
Обзор существующих методов выбора параметров анкерной крепи
В настоящее время накоплен значительный опыт применения анкерной крепи в угольной и горнорудной промышленности, а также при строительстве выработок большого сечения. В отечественной технической литературе, посвященной вопросам анкерного крепления, наиболее широкую известность имеют работы В.Н.Семевского, А.А.Борисова, Е.Я.Махно, Н.И.Мельникова, А.П.Широкова, Б.К.Чу-кана, Г.И.Кравченко, О.В.Тимофеева, А.Т.Топалкароева, Ю.З.Заславского, И.А.Юрченко, А.М.Аллика и др., а в зарубежной - Р. Квапила (ЧССР), Л.Панека (США), Ж.Талобра, А.Югона и А.Коста, Э.Тэнселэна (Франция), А.Джонстона (Англия), Л.Рабцевича (ПНР) и др. Выполненные этими учеными экспериментальные и аналитические исследования позволили на научной основе подойти к раскрытию физической сущности анкерной крепи, но не привели к созданию единой теории ее работы. Последнее можно, по-видимому, объяснить как многообразием технических средств этого вида крепи, так и чрезвычайно широким диапазоном горно-технических условий ее применения.
В современном арсенале средств анкерного крепления насчитывается более 300 разновидностей анкеров, различающихся между собой способом закрепления, материалом, особенностями конструктивного исполнения. Армополимерная крепь, в которой анкерный стержень закрепляется в скважине (шпуре) быстротвердеющим составом на основе синтетической смолы, имеет ряд преимуществ по сравнению с другими типами анкерной крепи и поэтому находит все большее применение в практике угольной промышленности. Широкое распространение такая крепь получила в США, Франции, ФРГ, Японии, Великобритании и других странах [50, 59-60] . В числе ее достоинств обычно отмечаются быстрота установки, высокая прочность скрепления с материалами анкерного стержня и окружающими породами, лучшая работоспособность в условиях влияния взрывных работ, противокоррозионная защита анкерного стержня и др.
Основными параметрами анкерной крепи принято считать: длину анкеров, расстояние между ними или плотность их расстановки, расчетное сопротивление стержня на разрыв, несущую способность замковой части анкера, величину предварительного натяжения [61-76]. Эти параметры определяются в соответствии с расчетными схемами, которые базируются на предположениях о механизме взаимодействия анкерной крепи с горными породами и несущей способности крепи.
Армополимерный анкер может быть закреплен раствором смолы в донной части шпура или по всей его длине. В первом случае упрочнение пород достигается путем создания предварительного натяжения в анкере. Чаще всего с этой целью выступающий из устья шпура конец стержня имеет резьбу для навинчивания гайки. Во втором случае предварительное натяжение в анкере может не создаваться, и тогда упрочнение пород обеспечивается только за счет сцепления скрепляющего состава с поверхностью стержня и стенками шпура. При сочетании этих принципов в одном анкере - закреплении по всей длине и предварительном натяжении - анкер сразу же после установки вступает в работу, а воздействие его на породный массив имеет избирательный характер, обеспечивая необходимую сопротивляемость в том месте, где это требуется.
Одна из наиболее полных классификаций армополимерной анкерной крепи, разработанная с учетом ее конструктивных особенностей, приведена в работе А.П.Широкова и др.
Армирующий стержень анкера может быть выполнен из древесины (натуральной или пластифицированной), металла, стекловолокна, полимерного материала. Закрепляющий материал содержит основную смолу и отвердитель или две рабочие жидкости, после перемешивания которых в шпуре происходит отверждение смеси и закрепление анкера. Наиболее распространенной является подача скрепляющего состава в шпур в ампулах - патронах, изготавливаемых из легко-разрушаемого материала (стекло, полиэтилен, бумага), в которых размещены исходные компоненты.
Работоспособность скрепляющего состава в армополимерном анкере определяется прежде всего его сцеплением (адгезией) с вмещающими породами, собственной прочностью, упругими свойствами, а также адгезионной способностью к материалам анкерного стержня - стали, дереву или их возможным заменителям [52, 57,77-82].
Специфической особенностью механических свойств пенопластов, которые во многих случаях получаются в результате реакции в шпуре исходных компонентов скрепляющего состава, является их упругое поведение вплоть до разрушения при растяжении и сдвиге, практически полная определенность предела прочности при растяжении [ 83 ] . В то же время под действием сжимающих напряжений ячеистая структура пенопласта допускает возможность значительных деформаций, сохраняя при этом свою агрегативную устойчивость и, следовательно, несущую способность. Под действием сдвигающих напряжений потеря несущей способности сопровождается явным разрушением пенопластов только при жестких и хрупких композициях.
По мере увеличения кажущейся плотности пенопласта предел его прочности при растяжении и модуль упругости растут, а относительное удлинение при разрыве падает. Изменение коэффициента поперечного расширения (коэффициента Пуассона) в зависимости от величины кажущейся плотности пенопласта имеет экстремальный характер: с увеличением кажущейся плотности этот показатель сначала резко уменьшается, а затем возрастает прямо пропорционально ее величине.
В работе [ 84 ] на основании факта эквивалентности ячеистой структуры различных пенопластов, вытекающего из общности меха низма вспенивания и образования их макроструктуры, сформулирован единый для всех пеноматериалов закон эквивалентности их упругих свойств, названный авторами принципом структурно-механической суперпозиции. Согласно этому принципу, отношение модулей упругости пенопласта и монолитного полимера одинаково для всех пеноматериалов при одном и том же отношении кажущейся их плотности к плотности монолита (рис. I.I).
Как видно из рис. I.I, использование приведенных координат в виде отношения соответствующих показателей для пенопласта и для полимера-основы позволяет описывать зависимость изменения модуля упругости от кажущейся плотности единой кривой для всех полимерных материалов.
На рис. 1.2 представлена приведенная в работе L 85 і зависимость от кажущейся плотности коэффициента Пуассона, полученная по результатам исследований механических свойств пенополиэпок-сида, пенополистирола, пенополиизоцианурата, пенополиуретанов, фенольного пенопласта.
Широкое разнообразие полиуретановых композиций позволяет получать пенопласты с различными прочностными и упругими показателями и обуславливает перспективность их применения в качестве материалов конструкционного назначения. Первые работы по применению пенополиуретанов отечественных рецептур в шахтных условиях выполнены в Донуги В.В.Кара и В.К.Сальниковым [86, 87 ] . В результате этих работ была исследована принципиальная возможность применения пенополиуретанов (ППУ-9н и ППУ-304н) для повышения изоляции вентиляционных сооружений и отработана технология применения пенопластов этих рецептур для нанесения покрытий в подземных условиях.
Для целей упрочнения горных пород выбрана разработанная Владимирским научно-исследовательским институтом синтетических смол (ВНИИСС) рецептура пенополиуретана ППУ-13н, представляюще
Прочность закрепления армополимерного анкера
Одним из основных факторов, определяющих прочность закрепления анкера в шпуре, является соотношение газовой и полимерной фаз пенополиуретана, которая, в свою очередь, определяется его кажущейся плотностью ук или кратностью вспенивания кВСп
Это соотношение в пенопласте в значительной мере зависит от степени стесненности условий протекания реакции его получения. Так, кратность свободного вспенивания композиции ІШУ-ІЗн достигает 12...15, а кратность вспенивания пенопласта этой же марки в шпуре обычно не превосходит 3...3,5.
В процессе образования газовой фазы развивается давление вспенивания, которое позволяет скрепляющему составу заполнять свободное пространство между стенками шпура и поверхностью стержня, а также проникать в пустоты породного массива по трещинам вокруг шпура.
С целью детального анализа влияния соотношения поперечных размеров шпура и анкерного стержня на прочность закрепления анкера были выполнены исследования на вытягивание стержня из макета шпура ( рис. 2.3 ). Исследования проводились с анкерными стержнями из арматурной стали диаметром 20, 24, 28 и 32 мм. Длина этих стержней соответствовала длине макета шпура. Для закрепления каждого стержня в шпуре диаметром 42 мм использовалась одна ампула, что обеспечивало зону перемешивания скрепляющего состава длиной 200...250 мм. Выходящая из устья шпура вспененная масса после ее отверждения взвешивалась. Расход состава на закрепление анкера определялся разницей масс исходной композиции в ампуле и той ее части, которая вышла из макета шпура, а объем свободного от стержня пространства в шпуре заполнен частично осколками стекла от пробирки и обрывками полиэтиленовой оболочки ампулы. Кажущаяся плотность пенопласта определялась как отношен ние массы расходуемого состава к занимаемому им объему. Для каждого значения диаметра стержня проводилось по 5 испытаний, в процессе которых с помощью записывающего устройства на машине УММ-5 снимались диаграммы "нагрузка - смещение". Общий вид этих диаграмм приведен на рис. 2.5.
После того, как нагрузка на анкер достигала своей предельной величины, происходило резкое ее снижение, которое сопровождалось значительным смещением стержня относительно стенок шпура. В табл. 2.1 приведены сводные данные по результатам испытаний. Упругие характеристики пенопласта определены в соответствии с описанным в п. 1.2 принципом структурно-механической суперпозиции.
Предельный угол сдвига в табл. 2.1 определен из выражения 9 (ШС to (й /оС„) , где ц - предельное смещение стержня относительно своего начального, ненагруженного положения, мм; оСп -толщина кольцевого слоя пенопласта, мм.
Анализируя полученные данные, можно отметить, что уменьшение толщины кольцевого слоя пенопласта вокруг анкерного стержня связано с увеличением его кажущейся плотности и разрушающей нагрузки. В то же время среднее значение предельной величины продольного смещения стержня при различных соотношениях диаметров шпура и стержня остается практически постоянным.
В результате лабораторных исследований были установлены ос новные свойства и поведение скрепляющего состава при получении его в ограниченном пространстве шпура. Поскольку пенополиуретаны весьма чувствительны к изменениям условий, в которых протекает реакция их получения, в процессе шахтных наблюдений проводилась практическая проверка полученных данных.
Основными задачами шахтных исследований являлись установление работоспособности армополимерной крепи и отбор наиболее рациональных средств упрочнения пород в условиях очистного забоя. Особое внимание уделялось при этом влиянию различных факторов на создание прочной связи между анкерным стержнем и упрочняемой горной породой.
Установлено, что адгезия состава к стенкам шпура ухудшается при наличии буровой мелочи в шпуре. В зоне перемешивания стенки шпура очищаются от пыли и смачиваются скрепляющим составом, в котором буровая мелочь находится затем уже как наполнитель. Однако при вспенивании и движении состава к устью шпура он скользит по пылевой пленке, лишь частично успевая вобрать в себя породную пыль. Поэтому в процессе дальнейших промышленных испытаний и внедрения армополимерной крепи ставилось требование возможно более тщательно очищать шпур от буровой мелочи.
Неблагоприятно сказывается на прочности закрепления анкера также попадание в шпур влаги. Так, на шахте "Россия" при доставке стержней по лаве они покрывались влагой и мокрым штыбом. Это приводило к увеличению кратности вспенивания состава и уменьшению прочности закрепления анкеров. При наличии капежа в лаве, обводненности почвы, а особенно кровли кратность вспенивания состава увеличивалась настолько, что значительное уменьшение прочности закрепления стержней из-за этого отмечалось без всяких приборов. Кроме того, даже в сравнительно сухих лавах отмечалось увеличение кратности вспенивания скрепляющего состава по сравненною с лабораторными опытами в 1,2...1,5 раза. Это объясняется,
Исследование прочностных характеристик анкера с полимерным закреплением
Рассмотрим действие вытягивающего усилия 1М0 , приложенного к анкерному стержню длиной , в устье его заделки. Расчетная схема приведена на рис. 3.4. Сделаем следующие предположения относительно характера реактивных усилий в кольцевом слое скрепляющего состава:1. Вытягивающее усилие \/0 уравновешивается касательными напряжениями, распределенными равномерно по периметру поверхности контакта пенопласта со стержнем.2. Величина касательного напряжения % пропорциональна смещению стержня относительно своего начального (ненагруженно-го) положения в шпурегде я - коэффициент пропорциональности, зависящий от толщины кольцевого слоя и физико-механических свойств скрепляющего состава, Н/м3; и - относительное смещение поверхностей стержня и шпура, м.
Рассмотрим равновесие элемента стержня длиной dx , выделенного сечениями 77772 и по (рис. 3.4). Слева на этот элемент действует усилие A/+dN , а справа - /V . Под действием растя Как видно из (3.15), распределение касательных напряжений в общем случае неравномерно по длине заделки анкерного стержня. Существенную роль в этом распределении играет величина dt$ , значение которой зависит как от размеров стержня, так и от соотношения упругих свойств материалов - анкерного стержня ( ) и скрепляющего состава ( ft ).
Поскольку величина к входит в выражения (3.14) и (3.15) под знаком гиперболических функций, выделение ее в явном виде, как функции от других факторов, не представляется возможным. Поэтому для ее оценки по данным экспериментов на вытягивание анкера из макета шпура предположим, что величина Jlt$ весьма мала. В этом случае будут иметь место следующие приближенные равенства: S-A оС tS cCfy ; ch обЗС Яг I .
Выражение (3.15) примет следующий вид:согласно которому касательные напряжения являются равномерно распределенными по глубине заделки анкерного стержня. Величину к для различных значений диаметра стержня определим, подставляя в (3.16) данные эксперимента, приведенные в табл. 2.1. Результаты вычислений при j = 0,3 м и с= 2,1-10 Ша приведены в таблице 3.2.
Из табл. 3.2 следует, что сделанное ранее предположение о малости величины oCt$ при 3 = ,3м удовлетворяется.
Таким образом, задача о поведении под действием продольной нагрузки анкера, закрепленного пенопластом в сплошной среде, сводится к решению обыкновенного дифференциального уравнения второго порядка.
Показатель продольной податливости анкера в данной точке численно равен отношению продольного смещения стержня относительно своего начального (ненагруженного) положения к величине вызвавшего это смещение вытягивающего усилия. Другая характеристика деформативности анкера - его жесткость - является величиной, обратной показателю податливости.
В соответствии с приведенным определением и (3.14) для показателей продольной податливости анкера справедливо выражение:которое для области с равномерным распределением касательных напряжений упрощается и принимает следующий вид:
На рис. 3.5 показаны графики изменения показателя продольной податливости анкера от глубины заделки для различных значений диаметра поперечного сечения стержня.
Как и в предыдущем случае, при определении показателей податливости анкера под действием изгибающих нагрузок рассматривается только часть его длины соответствующая заделке стержня в устойчивом породном массиве.
При изгибе стержня со стороны кольцевого слоя пенопласта и пород возникают реактивные давления, определение которых составляет суть расчета заделки стержня в упругое полупространство. При помощи найденных реакций могут быть вычислены значения перемещений - поступательных смещений и углов поворота стержня в плоскости действия усилий Т и М в любом сечении по глубине его заделки.
В процессе формализации задачи длина стержня делится на рядравных участков, по длине каждого из которых реактивные давления предполагаются равномерно распределенными. Наличие кольцевого слоя из пенопласта вокруг стержня учитывается постановкой упругих связей - стержней-пружин, располагаемых в срединах этих участков. Податливость вводимых связей соответствует упругим свойствам скрепляющего состава. В результате криволинейная эпюра напряжений приводится к ступенчатой, что при достаточно большом числе участков практически не сказывается на точности результатов расчета.
Таким образом, расчетная схема представляет собой статически неопределимую систему, для решения которой наиболее удобен так называемый смешанный метод. Неизвестными при этом методе являются усилия в связях и перемещения стержня в точке, соответствующей устью заделки анкера. В качестве неизвестных перемещений, являющихся начальными параметрами системы, приняты смещения lf0 и угол поворота % . В итоге для каждого конкретного случая, отличающегося своей совокупностью значений глубины заделки, диаметра стержня, а также показателей, характеризующих упругие свойства скрепляющего состава и горных пород, задача сводится к решению системы линейных уравненийгде (\ - матрица коэффициентов при неизвестных; X - столбец неизвестных; Р - столбец свободных членов.
Порядок квадратной матрицы Д соответствует числу неизвестных и равен 12. Система (3.18) содержит 10 уравнений, отражающих условие равенства нулю суммарных перемещений по направлению каждого неизвестного усилия и 2 уравнения равновесия: уравнение сил и уравнение моментов этих сил относительно устья заделки.
Уравнения, соответствующие условию равенства нулю перемещений по направлению силы )( имеют следующий вид где S ij[ - перемещение по направлению силы X,- от действия единичной силы, приложенной в точке ; - расстояние от устья заделки стержня до точки приложения силы ХІ, . Поскольку каждый элементарный участок имеет одну и ту же длину с , удобно за неизвестную 1/?0 принять угол поворота, увеличенный в с раз. Тогда значение коэффициента при % в уравнении (3.19) можно определить из выражения:
Кроме того, с целью сокращения вычислений все уравнения (3.19) разделим на величинупропорциональному уменьшению значений всех перемещений в системе (3.18) в Л0 раз. В соответствии с теоремой о взаимных перемещениях Su = SyL , поэтому матрица А коэффициентов при неизвестных в системе уравнений (3.18) является симметричной относительно главной диагонали.
Выражение для определения $-л имеет следующий вид:где і/- - перемещение упругой среды в точке I от действия единичной силы, приложенной в точке Ь ; ЯА5 - прогиб в точке I стержня, имеющего условное защемление в устье заделки, от единичной силы, приложенной в точке к ; «2-i.L - укорочение стержня-пружины, упругие свойства которого соответствуют свойствам кольцевого слоя пенопласта в анкере.
Результаты промышленных испытаний
Условия, применявшиеся средства и конечные результаты большей части испытаний, проводившихся под руководством или при непосредственном участии автора, опубликованы в специальной литературе [49, 51-53, 97, 116, 117 ] . Перечень лав с условиями испытаний приведен в Приложении 3 .
Ниже остановимся на наиболее типичных примерах, поясняющих методический подход и предпосылки, на основе которых были разработаны практические рекомендации по выбору параметров опережающей анкерной крепи для конкретных горно-технических условий.
На шахте "Винницкая" армополимерная анкерная крепь применялась в 8 восточной лаве пласта f3 , оборудованной механизированным комплексом КМК-97. Непосредственная кровля (глинистый сланец) обрушалась на отдельных участках лавы на высоту 0,6...1,2 м. Суммарная протяженность вывалообразования по длине лавы составляла около 40 м. Форма вывалов - сводчатая, кусковатость пород при обрушении составляла 0,3...0,5 м. Это позволило отнести подвергаемый упрочнению породный массив ко П группе. Однако в отдельных местах вывалообразования имелись участки с более сильно нарушенными породами (кусковатость менее 0,3 м).
Попытки применить однорядную схему установки анкеров при высоте вывала до 0,7 м и повышенной нарушенности пород в данной лаве не дали положительных результатов, поэтому анкерная крепь везде устанавливалась по двухрядной схеме. Верхний ряд анкеров устанавливался под углом 45 град, к напластованию, а нижний -7...10 град. В местах с большей степенью нарушенности пород анкеры нижнего ряда устанавливались параллельно напластованию, чтобы исключить возможность обрушения пород под анкерами. Длина всех анкеров была равна 2,0 м. Для анкеров верхнего ряда использовались стержни диаметром 20 мм, а для нижнего - диаметром 28 мм. При высоте вывала до 0,7 м шаг установки анкеров принимался равным также 0,7 м, а при большей высоте - 0,6 м (рис. 4.1).
Целесообразность применения однорядной схемы установки анкеров при мощности обрушения до 0,7 м в условиях пород первой группы (с шахте была проверена также в лаве № 2 западной панели пласта 3 . Анкеры из арматурной стали длиной 2,0 м и диаметром 28 мм устанавливались под углом 10...15 град, с шагом 0,6 м. Глубина заделки анкеров с учетом подвигания лавы на 1,6 м составляла несколько более 0,2 м, что обеспечивало достаточную прочность их закрепления в породах, находящихся над целиком угля.
Обрушения пород в зоне упрочнения при такой схеме установки анкеров начинались после выемки второй полосы угля под анкерами. После перехода на двухрядную схему установки анкеров в подобных условиях в этой лаве с установкой нижнего ряда анкеров параллельно напластованию породы удерживались от обрушения.
В дальнейшем армополимерная анкерная крепь стала применяться на этой шахте при отработке пласта і3 и в других лавах, а также на сопряжениях лав с подготовительными выработками. Ежегодный объем приобретаемых и используемых шахтой ампул с поли-уретановым закрепляющим материалом составляет 10...13 тыс.штук, что соответствует 4...5 тыс. устанавливаемых анкеров. Около половины этого объема расходуется на поддержание неустойчивых пород на сопряжениях лав с подготовительными выработками.
На шахте "Зуевекая" испытания параметров армополимерной анкерной крепи проводились в 3 восточной лаве пласта kz с индивидуальной крепью и комбайном ІК-І0І и в 8 западной лаве пласта ! , с механизированной крепью "Донбасс"..
Пределы изменения мощности обрушающихея пород в этих лавах составляли 0,6...0,9 м в 3 восточной и 0,7...1,6 м - в 8 западной, а протяженность вывалообразования на момент начала испытаний - соответственно 50 и 30 м. По кусковатости при обрушении породы кровли пласта к2 были отнесены к I, а пласта к - к Ш группам.
В этих лавах применялись стержни из арматурной стали диаметром 24 и 28 мм. В 3 восточной лаве установка анкеров проводилась, с учетом опыта шахты "Винницкая", по двухрядной схеме независимо от мощности обрушающихся пород. Длина анкеров нижнего и верхнего рядов, а также и анкеров профилактических, составляла 2,0 м. Углы установки анкеров: нижнего ряда - 0...5 град.; верхнего ряда - 45 град.; профилактических - 15 град. Расчетное значение шага установки анкеров в условиях 3 восточной лавы составляло: для диаметра стержня 24 мм при Н 0,75 м - 0,75 м; при Нъ 0,75 м - 0,7 м; для диаметра стержня 28 мм при Н 0,75м - 0,7 м; при Н 0,75 м - 0,65 м. Фактические значения шага установки анкеров составили при диаметре стержня 24 мм - 0,6...0,7м, а при диаметре стержня 28 мм - 0,7...0,8 м. При подвиганий лавы разницы в результатах упрочнения анкерами с различными диаметрами стержней практически не обнаружено: кровля удерживалась от обрушения при стержнях обоих размеров.
В 8 западной лаве на участке длиной 8 м с мощностью обрушающихся пород более 1,5 м были установлены анкеры в 3 ряда по поверхности обрушения (рис. 4.2). Анкеры нижнего и среднего рядов длиной 2,0 м устанавливались под углом к напластованию 5... ...Ю град.; анкеры верхнего ряда длиной 1,5 м - под углом 45 град. Шаг установки анкеров нижнего и среднего рядов составлял 0,8 м, а расстояние между анкерами верхнего ряда - 2,4 м. На другом участке той же лавы, также при мощности обрушения более 1,5 м, анкеры устанавливались по двухрядной схеме. Углы установки анкеров по этой схеме соответствовали углам установки нижнего и верхнего рядов трехрядной схемы. Длина анкеров обоих рядов была равна 2,0 м. Шаг установки анкеров составлял 0,8 м по каждому ряду.
В этом испытании также не было обнаружено существенных раз личий в конечных результатах анкерования, так как кровля в том и другом случаях была удержана от обрушения. Двухрядная схема установки анкеров была признана более целесообразной ввиду меньшей ее трудоемкости.
На шахте им. Киселева испытания армополимерной анкерной к крепи проводились в I восточной лаве пласта п . В кровле этого пласта залегает глинистый сланец мощностью около б м. Нижние слои кровли имеют косую слоистость с непостоянной мощностью отдельных слоев. Высота обрушений составляла от 0,5 до 2,0 м, а общая протяженность участков с неустойчивой кровлей по лаве -20...40 % от ее длины. При этом вывалы сначала сравнительно небольшой высоты (около 0,5 м) и треугольной формы происходили отдельными участками по 3...6 м, между которыми кровля не обруша-лась. При подвиганий лавы эти вывалы развивались как-в высоту, так и вдоль линии очистного забоя, что приводило к смыканию отдельных участков и вывалообразованиго по всей зоне.
Анкеры с полимерным закреплением устанавливались в один ряд под углом 10...15 град, к напластованию (рис. 4.3), при этом они не связывались между собой прогонами, но на хвостовой части каждого анкера укреплялся отрезок толстого распила или шпального бруса длиной 0,5 м, который прижимался к поверхности обрушения с помощью гайки с шайбой. Использовались стержни из арматурной стали диаметром 28 мм и длиной 2,2 м. Шаг установки анкеров составлял 0,7 м. Положительный опыт упрочнения пород при испытаниях армополимерной анкерной крепи был использован шахтой при дальнейшей отработке этой лавы, а также в лавах 5 и б западных, 3 и б восточных пласта hi, и 12 западной пласта Ь.$ .
На шахте им. Менжинского обрушения пород в южной верхней лаве пласта происходили на участке длиной 15 м, непосредственно примыкающем к сопряжению лавы с транспортерным штреком.
